我國工業煙氣SCR/SNCR 脫硝技術與還原劑用量平衡

王凡，田剛，王紅梅，朱金偉，王相鳳，張凡，路光杰，楊建輝，桑健，石應杰*

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.北京國電龍源環保工程有限公司，北京 100039

隨著國民經濟發展和能源消費量的增加，我國大氣NOx排放量已由2007年的2 200 ×104t 增至2012年的2 337.8 ×104t。根據國務院印發的《“十二五”節能減排綜合性工作方案》規定，2015年全國NOx排放總量控制在2 046.2 ×104t，我國NOx減排目標的實現面臨巨大的壓力，環保部門也面臨空前挑戰。

目前，我國NOx總量控制主要以控制火電、水泥行業為主，通過低NOx燃燒器、分級燃燒等工藝可降低NOx的排放，如火電煤粉鍋爐低氮燃燒后，NOx排放濃度可達550 mg/m3;新型干法窯采用低氮燃燒器和分解爐分級燃燒后，NOx排放濃度可達800 mg/m3左右。但要達到最新的大氣污染物排放標準，還需采用末端治理的方法，如選擇性催化還原(SCR)技術和選擇性非催化還原(SNCR)技術。根據環境保護部發布的《2014年上半年主要污染物排放量指標公報》，到2014年上半年，全國新增火電脫硝機組1.2 ×108kW，脫硝裝機容量累計達5.5 ×108kW，占火電總裝機容量的62.5%，全國累計產能達8.2 ×108t 的新型干法生產線新建了脫硝設施。我國的鋼鐵燒結機、陶瓷、玻璃等工業也是主要的NOx排放源，目前我國已完成15%以上的燒結機煙氣脫硝設施［1］。

SNCR 和SCR 均是較為成熟的NOx控制技術［2-7］，目前火電廠98%以上的煙氣脫硝設施采用SCR 技術，幾乎所有的水泥回轉窯采用SNCR 技術。SCR 和SNCR 技術均需要利用合成氨作還原劑，合成氨主要來源有液氨、尿素或氨水［8-11］。隨著我國工業煙氣脫硝的快速實施，每年需要消耗大量的脫硝還原劑，引發煙氣脫硝與農業爭“糧食”的問題，同時廢棄脫硝催化劑的處理也將面臨巨大的環境壓力。因而研究我國工業煙氣脫硝效率與還原劑用量平衡對系統評估我國現有煙氣脫硝工藝，掌握不同行業NOx控制最佳可行技術，開發可持續的煙氣脫硝技術具有重要意義。

1 我國工業煙氣NOx 排放及脫硝技術現狀

1.1 不同行業NOx 排放現狀

根據《中國環境統計年報》的數據，2012年我國廢氣中NOx排放量為2 337.8 ×104t，其中工業NOx排放量為1 658.1 ×104t。年排放量位于前3 位的行業依次為電力、熱力生產和供應業，非金屬礦物制品業，黑色金屬冶煉及壓延加工業。各行業NOx排放量如表1 所示。隨著火電工業和以水泥工業為主的非金屬礦物制品業煙氣脫硝設施的使用，NOx排放量逐年降低，而以鐵為主的黑色金屬冶煉及壓延加工業NOx排放量逐年增加［12］。

表1 不同行業NOx 排放量Table 1 Mass emission of NOx of industrial flue gas 104 t

1.2 國內外脫硝技術現狀

日本、美國、歐洲是當今世界上對燃煤電廠NOx排放控制最先進的國家和地區，除了采取燃燒控制之外，均大量采用SCR 或SNCR 技術。

2007年，美國國家環境保護局發布了最新的針對新型水泥窯NOx排放控制技術更新文件，介紹了過程控制、預分解爐階段燃燒(SCC)技術、SNCR 技術和SCR 技術。歐盟2009年發布的最新的針對水泥工業的最佳可行技術(BAT)文件草案，提出水泥窯采用分級低氮燃燒+SNCR 技術進行NOx減排。

對于鋼鐵生產工藝的NOx控制，歐盟BAT 文件草案及美國控制技術文件也提出了一些技術措施，針對燒結工藝過程主要有排放優化燒結(EOS)技術、SCR 技術、焦粉脫氮和活性炭吸附技術，針對焦化工藝過程主要有焦爐燃燒的過程減排和焦爐尾氣脫硝技術等。

我國火電工業新的大氣污染物排放標準實施以來，大量機組安裝了煙氣脫硝設施，其中98%以上采用SCR 技術。目前水泥工業主要采用SNCR 技術。其他技術如液體吸收法［13-14］、活性炭吸附法［15］和電子束法［16］等新興的煙氣脫硝技術，目前工業應用較少。

2 我國主要NOx 排放源脫硝技術

自2015年1月1日起，火電工業現有機組NOx排放限值要求低于200 mg/m3，自2015年7月1日起，水泥工業現有窯爐NOx排放限值要求低于400 mg/m3［17］。重點地區還有執行特別排放限值的要求。

2.1 火電廠煙氣脫硝技術

隨著《火電廠大氣污染物排放標準》的實施，我國大量燃煤電廠新增煙氣脫硝設施(SCR 技術)。到2014年底，所有的燃煤機組需安裝煙氣脫硝設施。全國火電工業每年脫硝催化劑用量及合成氨用量如表2 所示［12］。

表2 火電工業煙氣脫硝催化劑及合成氨用量Table 2 Consumption of catalyst and ammonia of flue gas denitrification of thermal power plant

2012年，全國合成氨總量達5 040 ×104t，尿素產量為3 004 ×104t，有2.3 ×108kW 裝機容量的火電機組安裝脫硝設施，年消耗合成氨約占全國合成氨總產量的1.45%。2013年，全國合成氨產量為5 745 ×104t，煙氣脫硝年消耗合成氨占全國總產量的2.37%。預計2015年全國1 011.5 ×106kW 的燃煤機組均已安裝煙氣脫硝設施，則僅火電工業煙氣脫硝每年可消耗合成氨320 ×104t，接近每年全國合成氨生產總量的6.3%。

至2015年全國火電工業全面實施煙氣脫硝后，每年消耗催化劑23.60 ×104m3，同時有相同體積的催化劑失活并回收再生。以失活催化劑回收率為75%計算，則2015年后，每年約有5.9 ×104m3的廢物待處理，為環境保護帶來巨大壓力。

2.2 水泥工業煙氣脫硝技術

我國水泥實際產量連續20 多年位居世界第一。2010年、2011年和2012年我國水泥熟料產量分別為18.8 ×108、20.9 ×108和21.8 ×108t，其中新型干法水泥窯產量分別為14.9 ×108、18.6 ×108和20.7 ×108t［18］。據統計，截至2012年底全國共有新型干法水泥窯生產線1 673 條，新型干法水泥窯水泥產量占總產量的80%以上［19］。

水泥工業的快速發展，資源、能源消耗大，環境污染重將嚴重制約行業發展。根據全國抽樣調查統計的平均結果以及污染源普查的排污系數計算，1 t熟料排放NOx約1.6 kg。目前我國水泥工業的NOx排放約占全國總排放量的10% ～12%，是繼火電廠、機動車之后的第三大排放源。表3 為全國水泥工業NOx排放量和脫硝所需合成氨用量。如果水泥工業開展SNCR 技術，按NOx消減率50% 計，2012年需要合成氨83 ×104t，占全國合成氨年產量的1.65%。

表3 水泥工業NOx 排放量及脫硝所需合成氨用量Table 3 NOx mass emission and consumption of ammonia of flue gas denitrification for cement industry

2.3 其他主要排放源煙氣脫硝技術

除火電工業、水泥工業兩大國控源外，其他主要的NOx排放源有工業鍋爐、燒結機、玻璃窯爐和陶瓷窯爐等。有色金屬冶煉、化工等行業排放的NOx也較多，但目前還缺少相關數據。我國僅有少數工業鍋爐、玻璃窯爐等采用了SCR 或SNCR 技術，而對于上述其他主要NOx排放源還沒有較為成熟的煙氣脫硝措施。

表4 為除國控污染源外的主要NOx排放源的排放濃度和排放量，以及按消減50%NOx計，每年所需合成氨用量的測算值。上述重點NOx排放源實施煙氣脫硝需合成氨約96 ×104t，占2012年全國合成氨年產量的1.9%。

表4 其他主要NOx 排放源排放狀況Table 4 NOx mass emission and consumption of ammonia of flue gas denitrification for main sources

3 工業煙氣脫硝所需合成氨

3.1 工業煙氣脫硝所需合成氨消耗量

我國工業煙氣脫硝主要采用SNCR 技術和SCR技術，其中對火電工業、玻璃窯爐等重點排放源擬采用SCR 技術，其NH3/NO 摩爾比為1.05(式(1));而對水泥窯等排放源采用SNCR 技術，其NH3/NO摩爾比為1.25(式(2))。表5 為工業煙氣脫硝所需合成氨的測算結果。

表5 工業煙氣脫硝所需合成氨測算結果Table 5 NOx mass emission and consumption of ammonia for total flue gas denitrification

由表5 可見，在2013年工業NOx排放的基礎上消減60%，所需合成氨約為411 ×104t/a，煙氣脫硝所需還原劑接近全國合成氨產量的7%。

3.2 工業煙氣脫硝所需合成氨綜合能耗

我國合成氨主要以煤為原料，2011年統計平均綜合能耗約為1 688 kg /t(以標煤計)。如果按2011年的合成氨生產水平，全國工業煙氣NOx脫硝需合成氨460 ×104t，則消耗標煤776 ×104t。

3.3 基于資源化的工業煙氣脫硝建議

我國的玻璃、陶瓷等工業窯爐排放的煙氣污染物中NOx排放濃度較高，平均濃度達1 500 ～3 000 mg/m3，遠高于燃煤鍋爐。而現有的煙氣脫硝技術需消耗大量的合成氨作為脫硝還原劑。因此脫硝技術直接移植到玻璃窯爐、陶瓷窯爐等高濃度NOx的煙氣治理勢必造成投資、運行成本超高的問題，將嚴重制約行業的持續發展。因此迫切需要在玻璃、陶瓷行業推廣資源回收型煙氣脫硝技術。

通過氧化法將煙氣中的NO 部分氧化為NO2，使NO2與NO 在煙氣中生成易被溶液吸收的N2O3，采用吸收劑溶液脫除煙氣中的NOx，脫硝副產物通過回收抽取硝酸，達到副產物綜合利用的同時，節省了作為脫硝還原劑的合成氨。

目前我國硝酸產能和產量位居世界第一，2012年全年產量為262.5 ×104t。全國玻璃窯爐、陶瓷窯爐NOx年排放量約為67 ×104t，如果回收制備硝酸，按脫硝效率90%計，則可生成50%的工業硝酸165 ×104t，節省脫硝催化劑1.5 ×104m3，并可緩解硝酸工業帶來的環境污染問題。

4 結論及建議

目前的火電、水泥工業分別采用SCR 技術、SNCR 技術進行煙氣脫硝，均以合成氨作還原劑。執行新的排放標準后，預測2014年火電工業煙氣脫硝可消耗合成氨320 ×104t，接近全國合成氨生產總量的6.3%;水泥工業煙氣脫硝可消耗合成氨83 ×104t，占全國合成氨年產量的1.6%左右;工業鍋爐、燒結機、玻璃窯爐和陶瓷窯爐等煙氣脫硝需合成氨約96 ×104t/a，占全國合成氨年產量的1.9%。隨著我國各工業煙氣脫硝的快速實施，每年需要消耗大量的合成氨，引發工業煙氣脫硝與農業爭“糧食”的問題。同時，2015年后僅火電工業煙氣脫硝每年產生5.9 ×104m3的廢棄催化劑，給環境保護帶來巨大壓力。

合成氨需要大量的能耗，氮與氫在高溫高壓催化劑條件下制取氨，通過煙氣脫硝生成氮和水，不利于可持續發展。合成氨屬高耗能、高污染工藝，環境污染問題非常嚴重。

建議開發基于氮資源循環或氮資源回收型的煙氣脫硝技術，將煙氣中的氮轉化為硝酸，最大限度地降低脫硝社會成本和能耗。分析表明，利用回收法制硝酸工藝可減排玻璃窯爐、陶瓷窯爐NOx達67 ×104t/a，生成50%的工業硝酸165 ×104t，并可節省脫硝催化劑1.5 ×104m3，可緩解硝酸工業帶來的環境污染問題。

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